第28卷第2期哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)Vol 28 No. 2F4 Journal of Harbin University of Commerce( Natural Sciences Edition) Apr人工濕地深度處理生活污水的機(jī)理研究謝衛(wèi)平,王欣2(1.宜興環(huán)境監(jiān)測(cè)站江蘇宜興214206;2.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京100084)摘要:生活污永經(jīng)過二處理后的廢永中仍含有相當(dāng)數(shù)量污染物,尤其是N、P含量較高采用表面流人工濕地處理系統(tǒng),選取了3種常見的水生植物;香清、濘萍和蘆葦作為主體植物選行廢水的深度處理研究試驗(yàn)結(jié)果表明,在水力負(fù)荷為0.04m3/m2·d時(shí),三類人工濕地系統(tǒng)均有較好的效果,對(duì)BOD3的平均去除率分別為83.%%、86和.1%;對(duì)NHN的去除率分別為80.4%、815%、74.2%,對(duì)TN的去除率分別為37.0%、50.6%和362%;對(duì)TP的去除奉分別為71.9%72.2%和69.7%;采用一蟻反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到了該試驗(yàn)條件下污染物去除的反應(yīng)速率常數(shù)關(guān)鑣詞:人工濕地;生活污水;深度處理;水力夤荷中圖分類號(hào):X703文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1672-09×46(2012)02-0162-04Mechanism study about advanced treatment ofdomestic sewage by constructed wetlandsXIE Wei-ping, WANG Xin2(1. Yixing Emironmental Monitor Station, Yixing 2142062. School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China)Abstract: The effluent from second biological wastewater treatment plants has some polltant, especially about of N, P contaminants. This paper selected three surface flow construe-ted wetland systems with different plants: cattail, duckweed and reed to refine the wastewatersaid above. It was found out that three constructed wetlands had good purification effectWhen hydraulicloads of these syslem were 0. 04 m/m".d, the removal rate of BODs was83.9%, 82.6% and 77. 19, respectively. While the NH, -N had the removal rate of 804%,81.5% and 74.2%, the TN had the removal rate of 37. 0%, 50. 6% and 36. 2%, theTP had 71.9%, 72. 2% and 69. 7%, respectively. The reaction rates of pollutant removalunder the experimental conditions were computed by fitting the experimental data using firstorder kinetics equatioKey words: constructed wetlands; domestic sewage; advanced treatment; hydraulicload人工濕地作為一種生態(tài)型污水處理技術(shù),具有便、運(yùn)行穩(wěn)定、生態(tài)景觀效果好等特點(diǎn)因此,表面投資運(yùn)行費(fèi)用低、處理效果好、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)流人工濕地已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于河流、湖泊水質(zhì)保點(diǎn),按濕地結(jié)構(gòu)形式可分為表面流人工濕地、潛持、面源污染控制、受污染水體修復(fù)等流人工濕地和垂直流人工濕地等.相比之下,表面隨著我國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,生活條件日趨流人工濕地具有結(jié)構(gòu)形式按近于天然濕地管理方改善生活污水的產(chǎn)生量日漸加大,廢水中NP含收稿日期:2011-09-10基金項(xiàng)目:國(guó)家科技支撐計(jì)劃果題(2008BA8B13作者筒介:謝衛(wèi)平(1973-)男,高級(jí)工程師研究方向;環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理第2期謝衛(wèi)平,等:人工濕地深度處理生活污水的機(jī)理研究量較高,排入受納水體后會(huì)導(dǎo)致富營(yíng)養(yǎng)問題2.為進(jìn)一步去除生活污水二級(jí)處理后水中所含的N、P2.1.2綜合運(yùn)行效果等元素,本研究以人工濕地處理系統(tǒng),采用不同的本試驗(yàn)期為8個(gè)月,期間氣溫在20~35℃之處理植物,探討三類處理系統(tǒng)的凈化效率和效果間表3列出了水力負(fù)荷為0.04m/m2d停留時(shí)間為2d時(shí),3種人工溫地在7、8月份連續(xù)運(yùn)行1試驗(yàn)裝置與方法后的進(jìn)出水平均質(zhì)量濃度1.1試驗(yàn)裝置表33種沮地系統(tǒng)進(jìn)出水平均質(zhì)量濃度本試驗(yàn)裝置為表面流人工濕地,水深為0.5進(jìn)水研出水質(zhì)量濃度嚥濃度,面積為25m2,植物的種植密度為30株選擇處理榷物時(shí),要考察其耐污能力、去污效果、適合當(dāng)?shù)丨h(huán)境、根系抗病蟲害能力及景觀效果等原則,通過前期靜態(tài)水培試驗(yàn)篩選出3種相對(duì)條4.5件較好的水生植物:香蒲、浮萍和蘆葦,并將3種植N1-N啊76物分別栽種于表面流人工混地試驗(yàn)裝置中(W、13.51.2進(jìn)水水質(zhì)實(shí)驗(yàn)用污水采取自某北方農(nóng)村生活污水處理廠的二級(jí)生物處理后的污水,其水質(zhì)指標(biāo)如表1所1進(jìn)水水質(zhì)22BOD去除效果分析NH-N在表面流人工濕地系統(tǒng)中,有機(jī)污染物通過沉(ng·L)m·L')《mg·L")/(mg:L3514-221.2-3.5淀、過濾吸附等作用截留在濕地中,然后被微生物降解去除反應(yīng)過程中主要氧源來自水面復(fù)氧和植1.3監(jiān)測(cè)指標(biāo)及方法物產(chǎn)氧濕地系統(tǒng)中附著生長(zhǎng)在植物表面的微生物本試驗(yàn)主要測(cè)定項(xiàng)目包括NH1N、mN,TP對(duì)BO3的去除起到了重要的作用),Sho等等,按照《水和度水監(jiān)測(cè)分析方法》(第4版)中提人“指出混地系統(tǒng)擁有強(qiáng)大的去污功能主要基于供的方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)兩點(diǎn)原因:一是其內(nèi)部存在著大量而豐富的微生物,二是具有較長(zhǎng)的水力停留時(shí)間三種植物人工2結(jié)果與分析濕地對(duì)BOD3的凈化都呈現(xiàn)出較好的效果,對(duì)2.1人工濕地運(yùn)行效果BOD3的平均去除率分別為83.9%、82.6%和72.1.1水力負(fù)荷的確定1%;BOD3月平均出水質(zhì)量濃度如圖1所示,可以針對(duì)進(jìn)水為二級(jí)出水的濕地系統(tǒng)而言在正常看出,隨著溫度的升高,出水BOD,質(zhì)量濃度逐淅的設(shè)計(jì)條件下,不需要考慮污染物負(fù)荷的上限,但降低在78兩月處理效果最好,3種植物人工太高的水力負(fù)荷通常會(huì)導(dǎo)致處理系統(tǒng)出水效果變地的平均出水質(zhì)量濃度分別是2.0.0、2.7mg差,因此,水力負(fù)荷的上限是必須考慮的因素表2列舉了不同水力負(fù)荷條件下,人工溫地系統(tǒng)的去除W+W一齷率可以看出當(dāng)水力負(fù)荷為006m3/(m2·d)以上時(shí),出水水質(zhì)急劇變差,因此適宜的水力負(fù)荷應(yīng)該在006m3/(m2·d)以下,本研究中的水力負(fù)荷取004m3/(m2·d)表2不同水力負(fù)荷條件下的水質(zhì)凈化效率水質(zhì)指標(biāo)去除率%水力負(fù)荷/(m3·m2d-)NH-N91590.356.531.125.87320.54.228.525.3圖13種溫地BOD4月平均出水質(zhì)量濃度164哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第28卷23氮的去除效果分析的正相關(guān)性水中的磷酸鹽會(huì)與土壤間隙水中表面流人工濕地中含氮化合物主要包括顆粒Ca2+、Fe3、AP離子及其氧化物等反應(yīng)生成難溶有機(jī)氮溶解有機(jī)氮氨態(tài)氮(NH一N、NH2N)物質(zhì)經(jīng)過互相聚合或吸附在土壤顆粒上形成新的和硝態(tài)氮(NO3、N03).濕地系統(tǒng)中氮的去除土壤,試驗(yàn)期間TP的去除率隨溫度的升高而提途徑包括氨揮發(fā)硝化-反硝化,固氮微生物和植高圖3列舉了不同溫度下三種濕地對(duì)TP的去除物的吸收氨化厭氧氨氧化吸附等,發(fā)揮主要率溫度由20℃升高到30℃,去除率提高了25%作用的是硝化-反硝化和植物的吸收其中NH左右78月份溫度適宜,植物生長(zhǎng)迅速促進(jìn)了濕N的去除主要取決于污水中微生物量和含氧量,水地系統(tǒng)對(duì)TP的去除,三種濕地的平均去除率分別生植物可通過根區(qū)向水中釋放氧氣促進(jìn)NH2N為71.9%22%和6.7%的去除另外溫度也是影響去除率的重要因素,圖日W:口W:口W2列舉了3種濕地系統(tǒng)在不同溫度下對(duì)NH2N的平均去除率可以看出隨著溫度的升高濕地系統(tǒng)對(duì)NH2N去除率逐漸升高試驗(yàn)中,濕地系統(tǒng)對(duì)NH3N的處理效果較好,7、8月份中NHNFNH2-N的去除率分別為80.4%、81.5%、742%20但對(duì)TN的去除效果并不理想,TN的平均出水質(zhì)量濃度在7~10m/L之間,平均去除率分別為圖3不同溫度下3種濕地TP的去除率37.0%、50.6%和362%.可能的原因是污水進(jìn)人工濕地后,有機(jī)氮、氨氮等也快速的轉(zhuǎn)化為NO2.5表面流人工濕地動(dòng)力學(xué)模擬方程和NO等無機(jī)氮有機(jī)污染物迅速被降解去除,導(dǎo)用于濕地的一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程,主要考慮處理負(fù)致反硝化時(shí)碳源不足限制了N03向N2的轉(zhuǎn)化,荷與處理效率之間的關(guān)系模型的推導(dǎo)以基質(zhì)的降降低了TN的去除率解服從一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ),常假設(shè)模型中的一四的些參數(shù)如速率常數(shù)等為常量,與水力負(fù)荷或進(jìn)水質(zhì)量濃度無關(guān),以及濕地中的水流形態(tài)為穩(wěn)定的柱塞80流等.一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型通常的表達(dá)方式為:In(Co/C ) k/q其中:C為系統(tǒng)進(jìn)水質(zhì)量濃度,mg/L;C為系統(tǒng)出水質(zhì)量濃度,mg/L;k為面積速率常數(shù),cm/d;q為系統(tǒng)水力負(fù)荷,cm/d圖2不同溫度下3種濕地NHN的去除率上述的一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型中只包含一個(gè)參數(shù)k,在 Eckenfelder:模型中,如果污染物種存在不可生物降解部分,則需在方程中加入不可生物降解物質(zhì)24磷的去除效果分析質(zhì)量濃度項(xiàng)在濕地中,即使沒有不可生物降解的濕地中磷的存在形式為有機(jī)磷和無機(jī)磷兩種,污染物,大氣或地下水的貢獻(xiàn)化學(xué)作用以及生物其中只有游離態(tài)的正磷酸鹽是可以被水生植物和地理化學(xué)循環(huán)也會(huì)產(chǎn)生背景質(zhì)量濃度于是 Kadlec藻類可以直接利用的濕地中磷的去除途徑包括:和 Knight建議引入背景質(zhì)量濃度低于背景質(zhì)量吸附和沉降、植物和微生物的吸收及形成新的土壤濃度的污染物不能被降解并在一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方或沉淀物等.s等證明植物量大的人工濕程中加入背景質(zhì)量濃度項(xiàng)c(m地系統(tǒng)對(duì)磷的去除要更好些水生植物可去除n(C0-C/C-C)=kq(2)17%左右的正磷酸鹽和約10%的TP但儲(chǔ)存在植依據(jù)北美人工濕地?cái)?shù)據(jù)庫中用于三級(jí)處理的物體內(nèi)的磷會(huì)隨著植物的枯萎和死亡重新釋放到表流人工濕地的出水年平均質(zhì)量濃度值可以看出,水體中,所以必須及時(shí)的收獲植物濕地土壤對(duì)磷BOD背景質(zhì)量濃度在12-3.0mg/L之間均值的吸附量與土壤中非結(jié)晶(等以發(fā)現(xiàn)磷為20mL本試驗(yàn)中的出水質(zhì)量濃度甚至低于的去除也有著至關(guān)重要的作和氧化鋁有顯著此值說明試驗(yàn)中的背景質(zhì)量濃度很低,同時(shí)為方第2期謝衛(wèi)平,等:人工濕地深度處理生活污水的機(jī)理研究便計(jì)算,忽略背景質(zhì)量濃度(2):156-160.因此公式(2)變形為2]尹振娟楊揚(yáng),盧建等.生物法一人工濕地組合工藝對(duì)小鎮(zhèn)泥合污水貳素去除效果研究[冂].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)Co=C: exp( k/g)2010,19(5):1044-1049將本試驗(yàn)中78月份的試驗(yàn)數(shù)據(jù)按公式3進(jìn)3) ELSHEIKH M A, SALEH HI, ELQUOSY DE,a. Improvi行擬合從表4可看出,采用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程模擬water quality in podlualed drains with free water surface construc-污染物的去除效果,擬合效果較好ted wetlands[J). Eeological Engineering, 2007, 36( 10):1478表4擬合動(dòng)力學(xué)方程[4] SCHOLZ M, HARRINGTON R, CARROLL P, et al. The inte-擬合方程grated eonsnuctead wetlands(ICW) concept. [J. WetlandsD3C=Cep(6775/q)6.750.913402007,27(2):337-354NH3-N Co=C2ep(6.190/q)6.1900.93240[5]張軍,周琪何蓉表面流人工濕地中氮磷的去除機(jī)理INC=C,p(2.06/q)2.060.840刀].生態(tài)環(huán)境,2004,13(1):98-101C=C,exp(4.952/q[6 VYMAZAL J. Removal o nutrients in various types of construe.3結(jié)語led wetland[]]. Sci. Tutal Envirun, 2007, 380: 48-65[7] KADLEC R H. Phosphorus Removal in Emergent Free Surface試驗(yàn)結(jié)果說明表面流人工濕地深度凈化二級(jí)生物出水是適宜的,具有較好的凈化效果且運(yùn)行效2005,40:1293-1306果穩(wěn)定所選取的三種水生植物:香蒲、浮萍和蘆葦8100 F. GARCIA M,usE. et al. Role ef Scirpus可以很好地適應(yīng)濕地環(huán)境,在污水中生長(zhǎng)狀況良好.試驗(yàn)表明,三種不同植物人工濕地在處理效果[9] DUNNE E J. CULlETON N.o' DoNoVAN G d al.Ph方面沒有表現(xiàn)出較顯著的差異,對(duì)有機(jī)物、懸浮物、phorus retention and sorption by construeted wetland soils inNH12N、TP均有較好的去除效果,對(duì)TN的去除率outheast Ireland[J]. Water Res, 2005, 39( 18 ): 4355均較低各類污染物的去除率隨溫度的升高而逐漸1 US Environment Protection Agency, Mamual- Conatructed提高.采用一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,擬合效果較好,得到了該試驗(yàn)條件下BOD、99/010)[R]. Cincinnati, Ohio: Office of Research and Develop-NH2一N、TN和TP去除的反應(yīng)速率常數(shù)ment, National Risk Management Research Laheralory, 1999.[11]KADLEC R H, KNIGHT R L, OHLENDORF H M. 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Water Re-參考文獻(xiàn)ssch,2000,34(12):3247-3257[7]豐敏.強(qiáng)化混蜒處理微污染水源水[D].武漢:武漢科技[1】史秀琀.百菌凊降觶菌的斯選及其降解特性研究!M]·北大學(xué),2005:12京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院,2007[2]杜益平百該清株放標(biāo)準(zhǔn)限值的保討[D,南京:南京信息8]石文揚(yáng),盛力妻志飛加藥量與p值對(duì)強(qiáng)化混凝去除有機(jī)物的影響研究[】],吉林廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào).2008(1)工程大學(xué),2007103-105[3] WOODS T L, BELL J P. Development of Chlorothalonil as aWood Preservative. Proc. Am[J. Wood Pheservers'Assoc